基于空间多准则的城镇建设用地的生态耦合调控途径

余卓芮 刘钰 张苏

摘  要：我国城镇化进程中的建设用地快速扩张，已成为城乡可持续发展的重要胁迫，城乡规划实践亟需生态空间调控的理论和技术支撑。本研究以福州为案例，在生态敏感性和生态系统服务评价的基础上，构建了基于空间多准则的生态耦合调控途径。生态耦合调控方案实证结果显示，适建区具有较高的生态敏感区位熵和较低的生态系统服务密度，生态耦合途径可以同步调控城镇建设引发的生态风险和对生态系统的干扰，从而降低决策风险。本研究对维护区域生态安全，支持城乡规划决策有重要意义。

关键词：建设用地;生态敏感性;生态系统服务;空间多准则;福州

中图分类号：TU984         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0014-05

Abstract： A sensitivities and ecosystem services were evaluated， using Fuzhou as a case study. Then， a spatially explicit MCDM approach was proposed for coupling ecological sensitivity and ecosystem service to regulate the urban sprawl. At last， ecological control zoning was made and evaluated based on the construction land expansion during 2000-2010. Results suggested that the ecological coupling approach can balance the tradeoffs between ecological sensitivity and ecosystem services， and support the sustainable urban planning.

Keywords： construction land; ecological sensitivity; ecosystem service; MCDM; Fuzhou

伴随快速城镇化进程，建设用地的快速扩张已成为我国土地利用变化的重要特征[1]，并造成了植被破坏、生物多样性减少等一系列生态问题，削弱了生态系统服务的供给能力[2]。生态空间的管控和城镇开发边界的划定已成为城乡规划研究的热点和实践的迫切需求。我国现有的城乡和生态规划的研究和实践大多基于国务院西部地区开发领导小组办公室、国家环境保护总局发布的《生态功能区划技术暂行规程》的框架，将生态敏感性与生态系统服务评价结果作为城镇开发边界划定的主要决策依据。由于生态敏感性评价关注的是潜在生态风险的形成机制和主导因素[3]，生态系统服务评估则着眼于生态过程机制和生态产品的产出[4];实证研究表明两者评价结果中适宜、限制和禁止开发的地域会存在较大差异[5-6]。由此导致规划实践中往往顾此失彼，成为生态空间调控科学决策的重要制约，而现有研究对其决策风险的分析还涉及较少。

近年来国内外一些学者尝试将生态敏感性和生态系统服务进行综合分析，从而同时降低城镇建设活动的生态风险和对生态系统服务的干扰。Schr■ter等在《Science》上发表了全球变化背景下欧洲生态系统服务的脆弱性评估成果[7]。唐秀美等基于生态适宜性综合指数对章丘市耕地的生态系统服务价值进行了修正[8]，张浩等将生态系统服务价值作为评价因子纳入了生态适宜性的空间叠加过程[9]，也有学者在土地利用的生态分类和生态红线划分中，依次进行生态敏感性和生态系统服务评价，但并未进行系统耦合[10-11]。上述研究或将生态敏感性和生态系统服务作为辅助因子，纳入对方的评价体系;或者只是将两者作为独立的评价标准。为充分融合两者的优势，有必要进一步探索生态敏感性和生态系统服务的系统耦合方法，以实现更为全面和科学的生态空间调控。

空间多准则是一种将GIS与传统多准则决策分析相结合，用来解决包含空间维度的，从可能相互矛盾的标准中筛选出最优方案的决策方法。在其支持下，可對空间格局差异较大的诸多决策因子进行协调，进而形成最优的空间决策;因此在地震评价，抗洪管理，城市公共设施布局，土地利用优化等领域得到了广泛应用。要将评价结果的空间格局差异较大的生态敏感性与生态系统服务进行耦合，空间多准则是适宜的途径，但现有的相关研究较少。

福州市是建设用地快速扩张的典型地区，2000～2010年建设用地从359.3平方公里增长到1283.1平方公里，新增面积为2000年原有面积的2.6倍;其土地利用的快速变化已对区域生态环境产生了一定影响。随着海峡西岸经济区建设战略的实施，福州建设用地还有进一步增长的趋势，亟需对其生态空间进行科学调控。

本研究在对福州市生态敏感性和生态系统服务评价的基础上，分析了两者作为独立准则时的生态空间调控的决策风险;提出了基于空间多准则的生态敏感性与生态系统服务的耦合途径，制定了多个情景的生态调控空间区划;最后通过生态区位熵和生态系统服务密度指数，对生态耦合调控方案进行了实证分析。本研究对完善生态评价与规划理论，支持城乡规划决策都有重要意义。

1 研究方法

1.1 生态敏感性评价

基于实地调研以及与福州当地专家的访谈，识别了福州市的主要生态敏感问题为酸雨、地质灾害、土壤侵蚀、饮用水源水质。参考福建省生态功能区划的生态敏感性评价成果[12]，并根据福州的实际情况进行调整和完善，建立了福州生态敏感性评价标准，相关评价因子见表1，各因子的评价细则和模型详见本文作者的前期成果[5，13]。基于生态敏感性评价结果，获得1-5级的生态敏感性分级赋值，从而将区域划定为生态敏感性从低到高的五级分区。

1.2 生态系统服务评估

谢高地等制定的我国生态系统生态服务价值当量因子表[14]在国内生态系统服务评估中得到了广泛应用。通过将获取自中国科学院资源环境科学数据中心的福州市土地利用类型统一到谢高地当量因子表中的相应类型，从而实现对生态系统服务的评价，进而获得1-5级的生态系统服务分级赋值，从而将区域划定为生态系统服务从低到高的五级分区。

1.3 基于空间多准则的生态耦合途径

为降低生态决策风险，本研究提出了基于空间局域化和多准则决策函数的生态耦合途径，技术路线如图1所示：

首先，进行空间局域化划分。基于两种生态评价结果赋值分别进行空间分区，并在ArcGIS支持下进行Intersect操作，使得每个空间局域都具有唯一的（x，y）二元生态分级赋值。图1为简便表达，只显示了两级的x和y的赋值，在实际工作中可在ArcGIS的支持下进行n级赋值的空间局域化操作，形成n2个空间局域，本研究中n=5。

其次，构建二元的多准则决策函数。基于1.1节和1.2节的结果，可分别获得相互独立的生态敏感分级M与生态系统服务分级S。为实现两者的耦合，参考相关研究成果[15，16]，构建二元的多准则决策函数，可以获得m个生态耦合分级O。图1为便于表达，取m=4。本研究将生态耦合分级设定为m=3，分别对应适建区、限建区和禁建区，与《城市规划编制办法（建设部令第146号）》的相关要求相衔接。

最后，以具有唯一的二元生态赋值（x，y）的空间局域为单元，将其二元生态赋值（x，y）输入多准则决策函数，获得该空间局域的生态耦合分级O，通过空间归并形成生态空间的调控方案。

1.4 基于生态耦合控制区划的实证分析

为评价生态耦合调控方案，本研究提出了生态敏感性区位熵和生态系统服务分区密度两个指标，并结合福州市建设用地扩张进程（2000-2010年）进行实证分析。

生态敏感性区位熵的计算方法见公式（1）：

其中，I12为生态敏感分级赋值为1-2的地域与适建区的交叉地域的面积，A12为生态敏感分级赋值为1-2的地域的面积，S为适建区的面积，A为整个区域的面积。熵值大于1，则说明适建区可以有效的集中生态敏感性较低的地域。

生态系统服务分区密度的计算方法见公式（2）：

其中，Ei为第i种用地类型的生态系统服务价值当量，Ai为第i种用地类型的面积，A为生态耦合分区的面积。

2 结果与分析

2.1 城镇开发边界划定的决策风险

基于1.1和1.2节的方法，在福州市域进行了生态敏感性和生态系统服务评价。两者评价结果在城镇建设适宜区位、等级和空间格局都存在较大差异（图2和3）。特别是作为国家级战略开发区的平潭综合实验区，生态敏感性结果显示平潭岛北部地区适宜进行开发，而生态系统服务评价结果显示全岛绝大部分都不宜进行开发。由此可见，将生态敏感性与生态系统服务作为独立的决策准则，会导致生态空间调控方案具有较大的决策风险。

2.2 生态敏感性与生态系统服务的空间多准则耦合

为降低生态敏感性与生态系统服务评价结果的冲突引起的规划决策的风险，本研究基于1.3节的空间耦合方法，形成了空间多准则支持下的城镇建设用地调控方案，见图4。该方案中，适建区主要分布于福州市辖区周边及东南沿海一带;地形主要为台地和平原，其中福州平原是福建省沿海四大平原之一。本区农业和交通条件较好;是福州人口最密集，社会经济发展最快、水平最高的区域;而且生态敏感度较低，单位面积产出的生态系统服务较少，适宜在现有的基础上发展经济和城市建设。限建区面积较小，在空间上呈零星分布。禁建区集中在福州西部与北部地区;福州主要的林地及水源保护地都分布在本区，生态敏感性和单位面积生态系统服务价值都比较高，应作为生态涵养林和水源保护的重点区域，通过规划政策严格控制建设开发。

2.3 基于福州建设用地扩张的生态耦合调控实证分析

为评价生态耦合调控对生态敏感性与生态系统服务的协调能力，本研究将生态耦合方案与2000～2010年间福州的建设扩张用地进行空间叠加，获得位于适建区、限建区和禁建区内的新增建设用地范围;进而计算适建区内的生态敏感因子的区位熵，以及各分区内的生态系统服务密度。

结果表明，位于适建区内的新增建设用地，除土壤侵蚀外，各生态敏感因子的区位熵都大于1（见表2）。由此可知，适建区内聚集了较高比例的低敏感性地域，在适建区内进行建设可以有效降低由城镇建设导致的生态风险。

位于各分区的新增建设用地，其生态系统服务密度见图5。由图可见，除食物生产外，其余8种生态系统服务在适建区内的密度都低于限建区和禁建区。由此可知，在适建区内进行建设可以有效降低城镇建设活动对生态系统的干扰。

由于土壤侵蚀敏感度在福州市域绝大部分地区都处在“敏感”及以上级别，其调控难度较大。生态耦合调控在同时调整多个因子的前提下，适建区内的土壤侵蚀区位熵为0.98，达到了接近1的水平，说明其得到了较好的调控。食物生产服务的当量因子与其他服务差异较大，很难在维护其他服务的同时对其进行调控，由此导致适建区内新增建设用地的食物生产服务密度较高。在适建区内进行建设时，应注意耕地特别是基本农田的保护。由于粮食生产服务的价值当量较低，适建区内新增建设用地的各类生态系统服务的总密度仍低于限建区和禁建区。

3 结论与讨论

本研究以城镇建设用地快速擴张的福州市为案例，对其生态敏感性和生态系统服务进行了系统评价;并基于空间局域化和多准则决策函数，构建了对生态敏感性与生态系统服务的生态耦合调控途径，在此基础上提出了多种情景的调控方案。

实证研究表明，生态耦合方案中的适建区具有较高的生态敏感性区位熵;同时，适建区内的生态系统服务密度显著低于限建区和禁建区;表明其聚集了较高比例的低生态敏感性和低生态系统服务的地域，实现了两者的同步协调，从而有效降低规划决策风险。

由于福州市土壤侵蚀和食物生产服务的各自的特殊性，在实际工作中应提出有针对性的土壤及耕地保护措施;结合生态耦合方案，可实现同时和全面的避免城镇建设活动产生的生态风险和对生态系统的干扰。

本研究提出的生态敏感性与生态系统服务的调控决策风险分析方法、基于空间多准则的生态耦合调控途径，以及生态区位熵、生态系统服务分区密度等实证评价指数，可为生态空间调控和城乡规划决策提供科学依据与技术支持。

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